人工电磁屏蔽材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电磁屏蔽领域，也属于电磁材料领域，具体设及一种超宽带高屏蔽效 能的屏蔽材料。
【背景技术】
[0002] 人工电磁材料是指将人造单元结构W特定方式排列组合形成的具有特殊电磁特 性的人工结构材料。包括单负材料、双负材料(又称左手材料）、电磁带隙材料及手性材料 等。
[0003] 目前单负和双负材料又分为谐振型及传输线型两类，根据其等效的介电常数或磁 导率正负得W区分。单负材料由于具有负介电系数或负的磁导率，电磁波在其中为倏逝波、 无法传播，所W具有极好的带阻特性，可用于设计屏蔽材料及空间滤波器。
[0004] 无论是在民用还是军事领域，对电磁脉冲尤其是微波电磁脉冲的电磁防护都非常 重要，滤波或选择好的屏蔽材料，就可W尽量避免电磁脉冲福射可能带来的危害。由于材料 的单负特性，电磁波在其中无法传播，能够对特定频段的电磁波实施无损耗的反射，具有良 好的屏蔽特性，同时对于金属丝结构的负介电系数人工电磁材料，其负参数频带宽，可W由 直流一直到微波频段，且结构简单，周期单元间存在缝隙，可W同时解决通风散热的问题， 且无需考虑高频接地的问题，具有极其优异的电磁屏蔽性能。
【发明内容】
[0005] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超宽带的电磁屏蔽材 料。为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
[0006] -种人工电磁屏蔽材料，包括10层W上的介质板，每层介质板上印有连续或不连 续的金属丝构成的金属丝阵列，所述金属丝阵列为大于8行且行间距为ax的连续金属丝，或 者为行数大于8、列数大于8且行间距及列间距分别为ax和ay的非连续金属丝，所述行间距 及列间距ax和ay同时都要小于Ag/2,即所述金属丝阵列错开布拉格散射条件，Ag为所需要 屏蔽的截止波长。
[0007] 设定10层W上的介质板的原因在于:根据FDTD方法进行数值计算表明，每增加一 层屏蔽材料，对波的抑制增加4地，每增加一个金属丝，抑制增加3dB。当为10层W上时，就可 W使得屏蔽效果约40地（目前一般屏蔽材料的屏蔽性能）。
[000引非连续金属丝设定行数及列数大于8是为了能使屏蔽效能达到40dB，小于8列或8 行则屏蔽效能达不到40地。
[0009]当入射电磁波沿介质板方向垂直入射，电场方向与金属丝平行时，构成了与等离 子体或形成了谐振系统，使得材料在等离子频率一下或是谐振频率与等离子体频率之间具 有负的等效介电常数，从而电磁波在运一频段内不能传播。
[0010]作为优选方式，所述行间距ax=(l/10-l/5)Ag，列间距ay=(l/10-l/5)Ag。运样设 定能够更好的避开布拉格散射条件(a = Ag/2)。
[0011] 作为优选方式，至少两层相邻的介质板中的金属丝阵列相互垂直设置。
[0012] 相互垂直的多层结构使得在垂直金属丝的方向也具有屏蔽效能，从而使得整个材 料具有任意极化特性的垂直入射平面波都有屏蔽效能。
[0013] 作为优选方式，每层介质板之间设有间隙az，所述间隙az错开布拉格散射条件，即 l/(10Ag)<az<l/(5Ag)〇
[0014] 作为优选方式，所述多层介质板为压制在一起的无间隙的整体。
[0015] 作为优选方式，所述材料的尺寸大于需要屏蔽区域8-10个周期单元，一个金属丝 为一个周期单元。由于边缘效应的存在，使材料的尺寸大于所需要屏蔽区域的8~10个周期 单元，才能保证整个屏蔽区域的屏蔽效能是相同的。
[0016] 作为优选方式，所述介质板为FR4环氧玻璃纤维板。
[0017] 作为优选方式，所述金属丝阵列通过PCB工艺印制在介质板上。含有金属丝的介质 板可W看作是一种特殊的集成电路。
[0018] 作为优选方式，所述金属丝阵列的印制方式为:在介质板上压合或涂覆金属层，然 后通过腐蚀的方法形成金属丝阵列。
[0019] 作为优选方式，所述金属丝阵列由不连续的金属丝构成，金属丝阵列为19行、19 列，介质板为16层。通过计算得出此时材料对入射波的抑制能达到64地，当为16层时的屏蔽 效果就和介质板材料为无限多层时的效果是一样的了，无线多层介质板的时候屏蔽效果在 64化左右。
[0020] 本发明采用了一种新的人工电磁材料作为设计的基本结构单元，利用人工电磁材 料的负参数特点，选取了具有负介电系数的金属丝周期结构（负参数频带宽）。利用其具有 的负介电常数的特性，通过恰当的设计，使得本发明在20MHZ-18G化具有很好的屏蔽效能， 其屏蔽效能大于40地。
[0021] 本发明的工作原理如下：当材料的电谐振单元为连续金属丝时，材料的电磁特性 类似于等离子体，材料的等效负介电系数与材料的等离子体频率有关，对于低于该频率的 电磁波，材料的有效介电系数为负数;对于高于该频率的电磁波，材料的有效介电系数为正 数。通过建立等效的介质模型来说明其具体的原理。
[0022] 利用化Ude模型的色散特性，可W建立起谐振型单负等效介质模型，其波数k为
[0024] 由上式可W看出，波在负介电系数媒质中传播时，其波数为虚数，波的振幅将随着 传播距离指数衰减，成为倏逝波，即波在单负媒质中无法传播。
[0025] 因此，通过慎重选择化Ude模型中的各参数，就可W用化Ude模型对单负材料建模， 模型将充分反映单负材料独特的电磁特性，在单负材料中，电磁波无法传播，如图2所示。
[0026] 本发明采用了负介电系数的材料设计屏蔽材料，即金属丝结构。因为负介电系数 材料较之负磁导率材料和带隙材料，其等效负介电系数频带较之负磁导率材料的等效负磁 导率频带、带隙材料的电磁禁带更宽，且结构更简单。
[0027] 当入射电磁波的电场与金属的走向一致时，或是其沿金属丝走向的场分量能激励 金属丝结构，在金属丝上的感应电流的流动，使材料的等效介电系数为负数，从而被反射屏 蔽，而其他方向的将通过屏蔽材料。对于连续金属丝来说，其负系数的起始频率为零，即对 于低于其截止频率(等离子体频率）的电磁波其等效的介电常数为负，高于此频率为正。其 等效的负介电常数的频带与其周期结构W及单元的尺寸有着非常重要的关系。
[0028] 为此，首先研究了当人工电磁材料中的金属丝仅沿一个方向时，材料对电磁波的 屏蔽效能。设电磁波沿X方向传播，材料周期单元结构中的不连续金属丝沿y方向，材料的基 本结构为沿X、y和Z方向的周期尺寸分别为ax = 3.6mm和ay = az = 5.5mm，支撑金属丝的印制 板厚为1.5mm;相对介电系数和磁导率分别为Er = 4.41和Wr=I;金属丝沿X方向的宽W = 0.3mm，金属丝长1 = 5.0mm，间隙g = 0.5mm;材料的等效负介电系数频带位于13~19G化波 段，图3给出了当电磁波垂直入射，电场方向与金属丝方向，即y方向，夹角分别为0,45,90度 时，负介电系数材料的电磁特性。从图中可W看出，当电磁波垂直入射时，无论入射波电场 方向与y轴的夹角怎样变化，材料的负参数频带基本上保持不变。对于入射波中的EyXHz分 量，在此频带内的电磁波几乎完全被反射，材料起到了